(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
巨大磁気抵抗装置；
前記巨大磁気抵抗装置及び検査領域内に磁界を生成するように構成された磁界生成器であって、前記巨大磁気抵抗装置により検出される前記磁界の成分は前記検査領域内の酸素濃度に依存する、磁界生成器；
前記検査領域に対向し且つ前記巨大磁気抵抗装置及び前記磁界生成器を支持する正面側と、前記検査領域と対向していない背面側と、を有する略平面状の基板；
前記略平面状の基板の前記正面側の少なくとも一部に備えられ、前記検査領域内の酸素が前記巨大磁気抵抗装置に達することを実質的に阻止する誘電体層；並びに
前記巨大磁気抵抗装置により検出された前記磁界の成分に基づいて酸素濃度信号を出力するように、前記巨大磁気抵抗装置に動作可能に結合された検出器モジュール；
を有する酸素センサ。
【請求項２】
請求項１に記載の酸素センサであって、前記磁界生成器は：
当該導体を流れる電流が前記検査領域に前記磁界を生成するように前記巨大磁気抵抗装置に対して配置された導体；
を有する、酸素センサ。
【請求項３】
請求項１乃至２の何れか一項に記載の酸素センサであって、前記磁界生成器は、前記基板上又は前記基板内に備えられた１つ又はそれ以上の導電性トレースを有し、前記巨大磁気抵抗装置は、前記略平面状の基板上又は前記略平面状の基板内に備えられた略平面状の装置を有し、前記略平面状の基板と巨大磁気抵抗装置と１つ又はそれ以上の導電性トレースとが協働して酸素センサチップを画成する、酸素センサ。
【請求項４】
請求項１に記載の酸素センサであって、前記誘電体層の厚さ及び前記基板の厚さは、前記巨大磁気抵抗装置により検出される前記磁界の前記成分が前記検査領域内の前記酸素濃度に依存し、前記検査領域と対向しない前記基板の前記背面側における酸素濃度に実質的に依存しないようなものである、酸素センサ。
【請求項５】
請求項４に記載の酸素センサであって、前記略平面状の基板の前記背面側に付着された酸素不浸透性の背面側バリア、を更に有する酸素センサ。
【請求項６】
請求項１乃至５の何れか一項に記載の酸素センサであって、当該酸素センサは、可動部を有さないチップとして構成されている、酸素センサ。
【請求項７】
巨大磁気抵抗装置及び検査領域内に磁界を生成する段階；
前記検査領域内の酸素が前記巨大磁気抵抗装置に達しないように、前記巨大磁気抵抗装置と前記検査領域との間に酸素バリアを備える段階；
前記検査領域に或る濃度の酸素を導入することにより前記巨大磁気抵抗装置と重なり合う前記磁界を摂動する段階；
前記巨大磁気抵抗装置を用いて前記磁界の前記摂動を測定する段階；並びに
前記測定された磁界摂動に基づいて決定された酸素濃度値を出力する段階；
を有する酸素検知方法。
【請求項８】
請求項７に記載の酸素検知方法であって、前記測定する段階は、可動部の動きを有さない、酸素検知方法。
【請求項９】
請求項７乃至８の何れか一項に記載の酸素検知方法であって、前記測定する段階は、約１００ｋＨｚ以上の周波数で前記巨大磁気抵抗装置を動作させる段階を有する、酸素検知方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、センサ技術、安全技術、医療技術、ガス処理技術及び関連技術に関する。本発明については、医用環境、種々の工業用環境モニタリングタスク等での酸素のモニタリングで用途を求めることができる。
【背景技術】
【０００２】
酸素濃度測定は、多くの臨床環境で有用である。患者の安全性を改善するように、吸入器酸素濃度は、麻酔及び救急救命医療において日常的に測定されている。他の例としては、患者の代謝速度を決定する酸素及び二酸化炭素の吸気濃度及び呼気濃度の測定がある。酸素濃度測定の非医療的アプリケーションには、工業用ガス測定、環境ガス測定及び処理作業がある。
【０００３】
酸素を測定するために用いられる文献に記載されている多くの異なる物理原理が存在する。酸素濃度に対する電気化学的応答性、分圧応答性、酸化ジルコニウム応答性及び磁気応答性は、酸素濃度測定のための適切な基準として考えられてきた。しかし、既存のシステムは、遅い応答時間、バルキネス（ｂｕｌｋｉｎｅｓｓ）、機械的振動、高コスト等の種々の短所を有する。
【０００４】
通常の種類の酸素濃度センサは、窒素又は他の非常磁性物質を含むダンベル状構造の“ベル”を伴う、磁界内に回転可能に吊り下げられたダンベル状構造を有する磁気機械アセンブリである。酸素濃度が高くなる場合、酸素は、酸素の常磁性のために磁界に引き付けられ、従って、磁界を強くする。ダンベル状構造の非常磁性の“ベル”は、強い磁界の範囲外でバイアスされ、従って、酸素濃度に関連するダンベル状構造のゆがみをもたらす。そのゆがみは、光学的に又は他の動き検出システムにより検出される。Ｆａｂｉｎｓｋｉ等による米国特許第６，２６３，７２２号明細書には、そのようなダンベル状構造に基づく酸素濃度センサの１つについて記載されている。
【０００５】
ダンベル状構造に基づく酸素濃度センサは、振動又は他の機械的干渉に対する問題の感応性に繋がる機械的動作基準を有し、そのセンサを小型化することを困難にしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第６，２６３，７２２号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、新たに改善された酸素モニタ、並びに上記の及び他の課題を克服する酸素モニタリング方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一特徴に従って、検査領域における励磁磁界の生成のための１つ又はそれ以上の磁界と、前記検査領域内の常磁性酸素分子により生成される反作用磁界の検出のための複数の巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）と、を有する酸素センサについて開示されている。ＧＭＲの信号（例えば、抵抗変化）は、その場合、検査領域における酸素濃度を表し得る。
【０００９】
本発明の他の特徴に従って、巨大磁気抵抗装置及び検査領域内に磁界を発生させる段階と、検査領域に対して酸素の濃度をもたらすことにより巨大磁気抵抗装置と重なり合う磁界を摂動する段階と、巨大磁気抵抗装置を用いてその磁界の摂動を測定する段階と、その測定された磁界の摂動に基づいて決定される酸素濃度値を出力する段階と、を有する酸素検知方法について開示されている。
【００１０】
本発明の他の特徴に従って、（ｉ）チップ内又はチップ上に備えられた１つ又はそれ以上の導電性トレースと、（ｉｉ）１つ又はそれ以上の導電性トレースにおいて流れる電流が磁界センサ内に磁界を生成するように、チップ内又はチップ上に備えられた磁界センサと、を有するチップを有する酸素センサであって、前記磁界は、磁界センサにより出力される時間検出信号が酸素濃度を表すように、酸素により摂動される、酸素センサについて開示されている。
【００１１】
検出モジュールは、交流電気駆動信号を少なくとも１つの導体に供給するドライバを任意に有することが可能である。前記駆動信号は、例えば、選択された周波数を有する正弦波電圧又は電流であることが可能である。前記電流によりもたらされる効果は、その場合には、通常、それらの効果が他の効果から分離されることが可能である、対応する周波数依存性により特徴付けられる。
【００１２】
磁気センサ装置は、一部の実施形態において、ＧＭＲ（巨大磁気抵抗）装置、ＴＭＲ（トンネル磁気抵抗）装置又はＡＭＲ（異方性磁気抵抗）装置であることが可能であるホールセンサ又は磁気抵抗要素を有することが可能である。
【００１３】
一有利点は、振動又は他の機械的摂動に対して低減された感応性を有する酸素センサを備えることにある。
【００１４】
他の有利点は、小型の酸素センサを備えることにある。
【００１５】
他の有利点は、可動部のないチップとして構成される酸素センサを備えることにある。
【００１６】
本発明の更なる有利点については、以下の詳細説明を読んで理解することにより当業者は理解することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】酸素センサを模式的に示す図である。
【図２】チップとして構成される酸素センサを示す斜視図である。
【図３】図２に示すチップとして構成される酸素センサの選択された動作可能な構成要素の模式的な断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
図１を参照するに、酸素センサは、磁界生成器により生成される磁界１２内に備えられた磁界センサを有する。図１においては、図示されている磁界生成器は、ワイヤ状導電性トレース等の導体１４を有する。導体１４を流れる電流は、その導体１４の周囲に磁界を生成する。図１においては、紙面に対して左右方向に向けられ、紙面に“向かう”方向に流れる電流を搬送する導体１４が記号“Ｘ”を囲んだ円により示される従来の表記法が用いられている。
【００１９】
磁界センサ１０及び導体１４を有する酸素センサは、検査領域２０における酸素濃度と相互作用する及びその酸素濃度を測定するように設定されている。図示している実施形態においては、検査領域２０は、酸素が磁界センサ１０内に、すなわち、“下方”に流れないように又は拡散しないようにする酸素バリア２２により境界付けられた、磁界センサ１０の“上方”の領域として規定されている。他の実施形態においては、検査領域２０はまた、例えば、酸素ガスが流れることが可能である管により規定されることが可能である。
【００２０】
磁界センサ１０及び検査領域２０の両者は磁界１２と重なり合う。図１に模式的に示しているように、酸素分子２４の各々は、共に結合している２つの酸素原子を有し、従って、Ｏ−Ｏ結合により規定される空間的配向を有する２原子のＯ２分子を規定する。磁界１２の外側に位置付けられた酸素分子２４はランダムな配向を有する。他方、磁界１２内に位置付けられ、検査領域２０内の特に興味がもたれた酸素分子２４は、Ｏ−Ｏ構造が磁界１２の方向に揃う配向方向へと、磁界１２によりバイアスされる。そのように揃うことは、酸素分子２４の優勢な常磁性挙動の結果である。図１に示す検査領域２０で酸素分子が揃うことを模式的に示しているが、実際には、磁界１２は、磁界１２と平行に酸素分子２４が揃う方向に幾らかのバイアスをかけるが、酸素分子２４は、それらの運動エネルギーに従って回転及び並進運動を継続し、統計的に磁界１２と揃うことを示すのみである。しかしながら、このように統計的に揃うことは、酸素分子２４が検査領域２０内の磁界１２を補強し且つ強くするには十分である。
【００２１】
磁界センサ１０は略平面状であり、図１においては真横に示されている。検査領域２０において何ら酸素濃度が得られないときは、図１の配置の対称性は、略平面状の磁界センサ１０を横断する方向に磁界１２が方向付けられることを規定する。ここで図示している実施形態においては、磁界センサ１０はスピンバルブ型のＧＭＲ（巨大磁気抵抗）装置であり、そのＧＭＲ（巨大磁気抵抗）装置は、ｘ軸方向（図１に示す座標系を参照されたい）の磁界に対して感応し、略平面状のＧＭＲセンサ１０に対して横断方向に配向した如何なる磁界成分（即ち、ｚ軸方向に配向した如何なる磁界成分）に対しても感応しない。検査領域２０において何ら酸素が存在しないときは、磁界１２はｚ軸方向に向けられ、従って、ＧＭＲセンサ１０は何ら磁界を検出しない。
【００２２】
酸素濃度が検査領域２０において高くなるように、酸素が検査領域２０に導入されるとき、酸素分子２４は磁界１２により揃えられ（統計的に）、検査領域２０において磁界１２を強くする。このような磁界１２の摂動は、図１に模式的に示しているｘ軸方向に沿って配向された摂動磁界成分Ｂｘを有する磁界における非対称性をもたらす。スピンバルブ型のＧＭＲ装置１０は、ｘ軸方向に沿って配向された摂動磁界成分Ｂｘを検出しかつ測定する。その測定された平面内成分Ｂｘは、検査領域内の酸素濃度［Ｏ２］に比例する、又は少なくとも単調に増加する。
【００２３】
適切な駆動及び制御エレクトロニクス３０は、磁界１２を生成するように導体１４内に電流を駆動する電力を与え、磁界装置１０により出力される磁界検出信号を受け入れる検出回路を有する。図示している酸素濃度［Ｏ２］ディスプレイ３２、図示している高酸素濃度アラーム３４等の適切な出力装置は、［Ｏ２］ディスプレイ３２に表示される表示定量酸素濃度値、安全な閾値を上回る測定された酸素濃度を条件とする高酸素濃度アラーム３４により出力される可聴性アラーム等のような、酸素濃度を表すユーザ知覚可能出力を与える。
【００２４】
図１に示す実施形態は例示である。種々の種類のＧＭＲに基づく装置及び非ＧＭＲに基づく装置が磁界センサとして企図される。磁界センサとして用いられる非ＧＭＲに基づく装置の例はホール効果装置である。略平面状のホール効果装置は、その装置の平面に対して横断方向の磁界に対して感応し、従って、ホール効果装置が図１のＧＭＲ装置１０と置き換えられる場合、非摂動磁界１２はホール効果装置の平面と平行であり、摂動磁界Ｂｘはホール効果装置の平面に対して横断方向にある。ＧＭＲに基づく装置は一般に、磁界の感応性に関して、他の磁界センサに対して優位性を有する。ＧＭＲに基づく装置及びホール効果装置の両者は、有利であることに、可動部のない固体センサである。
【００２５】
図２を参照するに、例示としての酸素センサは、ＧＭＲ装置１０を支持する正面側４４を有する略平面状の基板４２と、ＧＭＲ装置１０内に磁界を生成するように、電流Ｉｅｘを流す１つ又はそれ以上の導電トレース１４ａ、１４ｂと、を有するチップ４０として構成される。略平面状の基板４２の正面側は検査領域（図２には図示せず）と対向し、略平面状の基板４２はまた、検査領域と対向しない背面側（図２では見えない）を有する。一部の実施形態においては、基板４２は、シリコンに基づくエレクトロニクスの製造で用いられる種類のシリコン基板であり、ＧＭＲ装置１０及び導体トレース１４ａ、１４ｂは、金属又は金属含有層の真空蒸着、絶縁性誘電体層の真空蒸着又はプラズマ堆積、堆積ウィンドウを規定する及び／又は層を横方向に選択的に除去するフォトリソグラフィ処理等のエレクトロニクス処理技術の組み合わせを用いて、シリコン基板４２上に形成される又は製造される。一部の実施形態においては、適切な駆動及び制御エレクトロニクス４６も、シリコンエレクトロニクス製造技術を用いてシリコン基板４２上に製造される。オンチップエレクトロニクス４６は、図１の模式的な図に示している駆動及び制御エレクトロニクス３０の一部又は全てを有することが可能である。酸素バリア２２は、少なくともＧＭＲセンサ１０の領域に亘って堆積された誘電体層として適切に形成され、必要に応じて、基板４２の正面側４４全体に亘って堆積される。（図２の破線に示している誘電体層２２は基板４２の正面側４４全体を覆っている。）有利であることに、それらの処理操作は、ウェーハレベルで実行されることが可能である、即ち、１ｃｍ、２ｃｍ、数ｃｍ又はそれ以上の直径を有する大きいシリコンウェーハ上において実行されることが可能である。適切なフォトリソグラフィマスク等を用いて、数十、数百、数千又はそれ以上の酸素センサ構成要素１０、１４ａ、１４ｂ、４６のアレイがウェーハレベルで製造され、続いてバリア誘電体層２２のブランケット堆積が行われ、次いで、切断、レーザカット等によるシリコンウェーハのダイシングが行われ、それにより、単独の処理バッチで数十、数百、数千又はそれ以上の酸素センサチップ４０を生成することが可能である。
【００２６】
図２を継続して参照し、図３を更に参照するに、図２に示す酸素センサチップ４０は可動部を含まない。導電性トレース１４ａは、検査領域２０の対応する磁界成分１２ａを生成する一方、導電性トレース１４ｂは、検査領域２０の対応する磁界成分１２ｂを生成する。磁界成分１２ａ、１２ｂについて、それらの磁界成分１２ａ、１２ｂと揃う酸素分子２４の影響により、ＧＭＲ装置１０が感応するｘ軸方向に配向される摂動磁界Ｂｘが高められる。
【００２７】
一部のアプリケーションにおいては、酸素センサチップ４０は、酸素を有する（ことが可能である）雰囲気により囲まれ、それ故、雰囲気の酸素（がある場合）は、基板４２の正面側４４及び背面側の両方に存在することが可能である。この状況下で、誘電体層２２及び基板の厚さは、巨大磁気抵抗装置１０により検出された磁界１２の成分Ｂｘが検査領域２０における酸素濃度に依存し且つ検査領域と対向しない基板４２の背面側における酸素濃度には実質的に依存しないように選定される。正面側４４の、即ち検査領域２０における酸素は、基板４２の背面側に配される如何なる酸素とも比較して、ＧＭＲ装置１０と実質的に近い必要がある。これを達成するには、誘電体層２２はできるだけ薄い必要がある一方、基板４２は、背面側の酸素がＧＭＲ装置１０の近傍の磁場を実質的に変化させないように、基板４２の背面側に存在する酸素による磁界の摂動がＧＭＲ装置１０から十分に遠く離れるのに十分な厚さである必要がある。一部の市販のエレクトロニクスグレードのシリコンウェーハについて典型的な約３００μｍのシリコン基板厚さは、如何なる背面側環境酸素濃度の影響をもＧＭＲ装置１０にとって無視可能なものにするのに十分であると見込まれる。必要に応じて、全体的な厚さを増加させるように基板の背面側に付着される付加的な酸素不浸透性プラスチック積層構造のような付加的な背面側のバリア（図示せず）が付加されることが可能である。
【００２８】
代替として、その雰囲気は、基板４２の正面側４４においてのみ存在し、その雰囲気内には背面側は存在しないことが可能である。そのような構成の例においては、正面側４４がコンテナの内容物に曝される一方、背面側はコンテナの壁内に埋め込まれるように、コンテナの壁内に酸素センサチップ４０が埋め込まれる。この構成においては、正面側のみが何らかの周囲酸素に曝されるため、基板の厚さは特に関係ない。
【００２９】
図３を継続して参照するに、定量的な実施例として、距離ｄだけウィンドウｗの導体１４ａ、１４ｂから間隔を置いている幅ｗＧＭＲを有する例示としてのスピン型のＧＭＲ装置１０を有する酸素センサチップ４０を考える。ここでは、ｗＧＭＲ＝ｗ＝ｄ＝３μｍである。１００体積パーセントのＯ２においては、単位質量当たりの磁化率はχｗｅｉｇｈｔ，ｏ＝１．３３ｘ１０−６ｍ３／ｋｇである。特定質量は１．４ｋｇ／ｍ３に等しく、それ故、χｏ（無次元）＝χｗｅｉｇｈｔｍ＝１．８７ｘ１０−６である。図３の例示としての幾何学的構成、及び検査領域２０における１μｍ３当たり１酸素分子の酸素濃度を有する１００％の酸素並びに２５ｍＷの電力消費の適用について、酸素センサチップは約２．９ｎＶの信号を生成すると見込まれる。スピンバルブ型ＧＭＲ装置１０は、１／ｆノイズ特性を示すことが見込まれ、ここで、ｆは動作周波数であり、それ故、改善された信号対ノイズ比（ＳＮＲ）が、交流モードでＧＭＲ装置１０を動作させることにより得られる。一部の実施形態においては、ＧＭＲ装置１０は、約１００ｋＨｚより高い周波数で動作される。導体１４ａ、１４ｂにおける電流が約１００ｍＡであることを前提とすると、ホワイトノイズスペクトル密度はｅｔｈ＝３．５ｎＶ／Ｈｚ０．５であり、所望の検出ＳＮＲはＳＮＲｄｅｔ＝１０ｄＢであり、検出帯域幅は
【００３０】
【数１】
0005469660.tif 000002
であり、測定時間はＴ＝１／２Ｂ＝７ｓｅｃである。そのような交流動作モードにおいて、ＧＭＲ装置により出力される磁界検出信号は、適切に直流に復調され、ディジタル化され、又はその他の方法で処理され、それにより、酸素濃度信号が得られる。
【００３１】
上記実施形態は単なる例示としての実施例である。他の実施形態においては、より強い信号を与える、１００μｍの幅の装置のようなより広いＧＭＲ装置が企図される。同様に、より強い磁場、ひいては、より強い信号を与えるように、より大きい電流を搬送するために、導体１４ａ、１４ｂが、より広くされることが可能であり、あるいは、より多くの導体が使用されることが可能である。更に、例示した実施形態は非摂動磁界が略平面状のＧＭＲ装置１０に対して横断方向に方向付けられる構成を用いているが、他の幾何学的構成もまた企図される。企図される他の幾何学的構成の例としては、ＧＭＲ装置は、直交摂動磁界Ｂｘではなく、ｚ軸方向（図１の座標系を用いて）における磁界を測定するように、方向付けられることが可能である。この構成においては、ＧＭＲ装置の出力は決して０ではないが、ＧＭＲ装置の出力における何らかの変化は、酸素濃度における変化と同調する。更に、磁界生成器は、上記の構成より複雑な構成を有することが可能であり、例えば、抵抗又は超伝導ソレノイド又は電磁石、永久磁石、磁束経路を制限する強磁性材料等を有することが可能である。
【００３２】
本発明については、上で好適な実施形態を参照して詳述している。当業者は、上記の詳細説明を読んで、理解することにより、修正及び変形について想起することが可能である。そのような修正及び変形の全ては本明細書と同時提出の特許請求の範囲についての範囲内又はそれと同等なものの範囲内にあるため、そのような修正及び変形全てを包含するように意図されている。
【図１】
0005469660.tif 000003
【図２】
0005469660.tif 000004
【図３】
0005469660.tif 000005